關(guān)于聚丙烯纖維對混凝土性能影響的幾點認(rèn)識

    [提要]本文就目前對聚丙烯纖維在混凝土中阻裂效應(yīng)的意義、聚丙烯纖維對混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響等模糊不清或尚存爭議的問題談了幾點看法，并從作用機(jī)理上進(jìn)行了闡述。結(jié)論認(rèn)為，聚丙烯纖維對混凝土性能有明顯的改善作用，但目前的試驗評價方法尚不能有效展示聚丙烯纖維的效應(yīng)。

    引  言

    聚丙烯纖維是一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，被稱為混凝土的“次要增強(qiáng)筋”，適用于路面橋面、襯里護(hù)壁、地坪等工程部位，近幾年在我國市政、公路和建筑工程中已有較多應(yīng)用，絕大部分工程應(yīng)用效果良好。

    由于摻入聚丙烯纖維改善了混凝土的品質(zhì)，使混凝土的綜合使用性能得到提高。美國聯(lián)邦公路戰(zhàn)略計劃(SHRP)通過大量試驗研究和工程經(jīng)驗總結(jié)后認(rèn)為，可將聚丙烯纖維等有機(jī)纖維增強(qiáng)混凝土當(dāng)作路面高性能混凝土的一種。但作者通過和施工、設(shè)計人員的現(xiàn)場交流，發(fā)現(xiàn)一些工程技術(shù)人員對聚丙烯纖維在混凝土中的效應(yīng)認(rèn)識不足，認(rèn)為聚丙烯纖維的功能僅是阻止混凝土發(fā)生塑裂，而對硬化混凝土的性能無積極作用；或者將聚丙烯纖維和鋼纖維的增強(qiáng)效果進(jìn)行對比，以摻入纖維對混凝土抗折(抗拉)強(qiáng)度的提高程度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

    經(jīng)分析后認(rèn)為，有關(guān)人員對聚丙烯纖維功能認(rèn)識上的片面性，主要源于現(xiàn)行混凝土試驗評價方法的局限性和長期形成的以硬化混凝土靜載強(qiáng)度為目標(biāo)的思維定勢。本文就有關(guān)問題進(jìn)行討論，并闡述作者的看法。聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)同常用的鋼纖維相比，聚丙烯纖維的特點是細(xì)度高(當(dāng)量直徑0.02-0.1mm)、數(shù)量多(常用的0.9kg／m3的摻量充分分散可獲得700-3000萬根纖維單絲)、在混凝土中的纖維間距小。上述特點使聚丙烯纖維能有效限制早期(塑性期和硬化初期)混凝土由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，減小原生裂隙的數(shù)量和尺度。而原生裂隙通常是混凝土破壞或性能劣化的起源。從此角度理解，可認(rèn)為聚丙烯纖維的上述阻裂效應(yīng)的意義，不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發(fā)生和發(fā)展，其意義更在于通過提高材料介質(zhì)的連續(xù)性，能使硬化后混凝土的性能得到顯著改善。對于路面和橋面混凝土，由于所承受的彎拉荷載和反復(fù)沖擊荷載，對混凝土內(nèi)原生裂隙數(shù)量和尺度的敏感性較高，原生裂隙在數(shù)量和尺度上的減小對提高其使用性能是非常有利的。

    存在的問題是：

    ①聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)得以發(fā)揮的必要條件，是混凝土在硬化早期同時處于變形受限和失水收縮的狀態(tài)，而這樣的條件室內(nèi)或現(xiàn)場制作的小試件并不具備。這種差異實際上體現(xiàn)了用小試件評定實際結(jié)構(gòu)物中混凝土強(qiáng)度或耐久性的不足之處，對聚丙烯纖維混凝土這種傾向性更為明顯，其結(jié)果造成了對聚丙烯纖維在混凝土中作用的低估。

    ②聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)尚很難通過試驗進(jìn)行定量的評價。雖然有關(guān)人員模擬現(xiàn)場條件制作了各種試驗裝置，進(jìn)行聚丙烯纖維阻裂效應(yīng)的研究，但受各種偶然因素的作用，試驗結(jié)果的再現(xiàn)性不佳。以上因素造成了對聚丙烯纖維使用效果的低估和認(rèn)識上的模糊。

    在混凝土中摻入纖維材料最初的目的，就是針對因混凝土抗拉強(qiáng)度不足造成的易裂問題，纖維在混凝土中的阻裂效應(yīng)實際上正是提高了混凝土抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn)。但不同品種纖維因彈性模量、抗拉強(qiáng)度、長徑比、摻量等不同，在混凝土中阻裂效應(yīng)的作用機(jī)理和效果也不相同。鋼纖維的阻裂效應(yīng)體現(xiàn)在阻止硬化混凝土破壞時的裂縫擴(kuò)展上，是通過使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉強(qiáng)度實現(xiàn)的，阻裂效應(yīng)作用的結(jié)果是提高了硬化混凝土的變形能力，使混凝土基材在破壞后仍保持一定的延性(假延性)，因此，鋼纖維的阻裂能力和纖維彈性模量、界面粘結(jié)強(qiáng)度和自身的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。而聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)主要體現(xiàn)在消除或減輕了早期混凝土中原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，簡單的理解可認(rèn)為，是通過聚丙烯纖維提高了早期混凝土的抗拉強(qiáng)度實現(xiàn)的，進(jìn)一步分析結(jié)果是，聚丙烯纖維鈍化了原生裂隙尖端的應(yīng)力集中，使介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力場更加連續(xù)和均勻所至。由于早期混凝土自身的抗拉強(qiáng)度很低，因此，聚丙烯纖維的阻裂能力和纖維的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)并不明顯相關(guān)，而隨纖維細(xì)度的增大、混凝土中纖維間距的減小而增強(qiáng)。 

    通過以上分析可見，聚丙烯纖維和鋼纖維的阻裂效應(yīng)不可相互替代，因分別改善了不同時期混凝土的性能。對于路面橋面混凝土，鋼纖維在混凝土裂后方能發(fā)揮的阻裂效應(yīng)并無實際的意義，而混凝土在早期易發(fā)生塑性開裂的性能缺陷，卻可通過摻入聚丙烯纖維加以解決或改善。

    聚丙烯纖維對混凝土強(qiáng)度的影響

    聚丙烯纖維的彈性模量低(約為混凝土的1／10)、具有一定的增稠作用和弱界面效應(yīng)，都是對混凝土強(qiáng)度不利的因素，但由于聚丙烯纖維在混凝土中常用的體積摻量很低，以上不利因素對混凝土強(qiáng)度的影響并不顯著。許多試件的測試結(jié)果也表明，摻入聚丙烯纖維對混凝土的強(qiáng)度無顯著影響或使混凝土的強(qiáng)度稍有降低。一些習(xí)慣于以試件的抗壓或抗折強(qiáng)度判定材料性能水平的工程技術(shù)人員由此得出的結(jié)論是：聚丙烯纖維雖能阻止早期混凝土發(fā)生塑性開裂，但對硬化混凝土無增強(qiáng)作用。

    以上認(rèn)識是廣泛存在的，其片面性在于：

    ①小試件強(qiáng)度并不能代表實際結(jié)構(gòu)物中混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)混凝土中摻入聚丙烯纖維后這種傾向性可能更加顯著，因為小試件測試結(jié)果不能展示聚丙烯纖維阻裂效應(yīng)帶來的好處。

    ②路面橋面混凝土主要承受車輛反復(fù)沖擊造成的疲勞作用，因此，抗動荷載能力的強(qiáng)弱更接近真實的材料使用性能水平，而小試件抗壓或抗折強(qiáng)度則是在試驗機(jī)加載速率下測得的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度。有關(guān)試驗結(jié)果表明：雖然摻入聚丙烯纖維對混凝土的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度無顯著影響，卻能使混凝土的抗沖擊
纖維對混凝土強(qiáng)度的影響程度和纖維在混凝土中的體積率有關(guān)，由于價格和工藝等原因，常用的纖維摻量一般較低(體積率一般不大于2％)，且纖維處于三維亂向分布的狀態(tài)，增強(qiáng)的效率很低，因此，正常情況下纖維均不能使混凝土裂前的抗拉強(qiáng)度有明顯提高?；w開裂后，可通過纖維繼續(xù)承擔(dān)荷載。當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到一定水平時，纖維能在混凝土裂后承擔(dān)超過混凝土裂前的荷載水平，表現(xiàn)為提高了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。而在進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試時，由于混凝土在裂后通過纖維保持了一定的抗拉能力，使受試小梁的中性軸得以提高，混凝土的抗折強(qiáng)度由此得以較大幅度的增長。通常測試的結(jié)果是，鋼纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的提高幅度高于抗拉強(qiáng)度。聚丙烯纖維常用的體積摻量比鋼纖維要低得多(0.9kg／m3的摻量相當(dāng)于體積率0.1%)，這樣的摻量對混凝土裂前、裂后的強(qiáng)度和破壞形態(tài)幾乎無影響，且由于聚丙烯纖維自身的彈性模量較低，即使通過提高纖維摻量使混凝土裂后保持一定的抗拉強(qiáng)度，但過大的變形也使其實用的意義很小，因此，通常不采用高摻量聚丙烯纖維來提高混凝土抗拉(抗折)強(qiáng)度的作法。由于路面橋面混凝土的剛度要求，事實上無論何種纖維對混凝土裂后強(qiáng)度的提高作用對此類工程均無實際的意義。

    由以上分析得出的結(jié)論是：對路面橋面混凝土，通常情況下，纖維對混凝土靜載或準(zhǔn)靜載強(qiáng)度的影響作用，不會對實際的使用性能造成明顯影響。而大量工程實踐證實的纖維混凝土優(yōu)良的使用效果，實際上是纖維提高了混凝土的抗沖擊、抗疲勞能力所致，這是通過摻入纖維使混凝土板的整體性、連續(xù)性得到改善的結(jié)果。在這點上聚丙烯纖維和鋼纖維雖有相同的功效，但作用機(jī)理卻不盡相同。聚丙烯纖維的作用機(jī)理是通過消除或減小原生裂隙的數(shù)量和尺度，使材料介質(zhì)的連續(xù)性得以提高，以及有機(jī)材料對沖擊能的吸收能力，使混凝土的抗沖擊、抗疲勞性能得以改善的。聚丙烯纖維自身較低的彈性模量，使其對荷載的傳遞能力和約束硬化混凝土裂縫擴(kuò)展的能力相對較弱。同聚丙烯纖維相比，鋼纖維由于在混凝土中的數(shù)量相對較少，不能有效消除或減小原生裂隙的數(shù)量和尺度，但較高的彈性模量使其具有很強(qiáng)的傳遞荷載的能力和約束裂縫擴(kuò)展的能力。鋼纖維的以上功能使路面混凝土板承受車輛的沖擊作用能在更大的板體范圍內(nèi)擴(kuò)散，局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象得以減輕，路面橋面混凝土的抗沖擊和抗疲勞能力由此得到提高。

    纖維混凝土的以上使用功能是無法通過小試件進(jìn)行評定和衡量的，大量的工程實踐已對此給予了證實。在美國的一些公路和機(jī)場道面中，采用聚丙烯纖維混凝土制作超薄白色罩面，對舊路進(jìn)行改造，正是利用了聚丙烯纖維混凝土優(yōu)良的抗沖擊、抗疲勞性能。

    聚丙烯纖維對混凝土耐久性的影響

    也有一些工程技術(shù)人員認(rèn)為，聚丙烯纖維主要是一種改善混凝土耐久性的材料，如果將抗疲勞性能看成是一項路面橋面混凝土的耐久性指標(biāo)，上述理解當(dāng)然是正確的。除此之外，聚丙烯纖維對混凝土性能的改善作用還包括：通過減少混凝土的泌水，使表面混凝土的質(zhì)量得以改善，從而使混凝土的耐磨性能得以提高，以及阻裂效應(yīng)能顯著改善混凝土的抗?jié)B漏性能等。聚丙烯纖維對混凝土的其他耐久性指標(biāo)諸如抗?jié)B透性、抗凍和抗鹽凍性、抗化學(xué)侵蝕性等也并無不利的影響，但改善程度尚待進(jìn)一步研究。

    結(jié) 語

    通過以上分析得出的結(jié)論是：

    ①聚丙烯纖維能消除或減少混凝土中原生裂隙的數(shù)量和尺度，這種效應(yīng)不僅能有效阻止混凝土發(fā)生塑性開裂，對硬化混凝土的性能也非常有益。

    ②聚丙烯纖維雖然不能使硬化混凝土的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度有明顯提高，但通過提高混凝土的抗沖擊能力和抗疲勞性能，使路面橋面混凝土的使用性能得以改善。

    ③由于在纖維細(xì)度、彈性模量等性能上的差異，聚丙烯纖維和鋼纖維對混凝土性能的影響效果和機(jī)理不盡相同，兩者各有所長。

    ④由于試驗評價方法的原因，室內(nèi)小試件不能充分展示聚丙烯纖維在實際工程中的使用效果，造成了對聚丙烯纖維實際使用效果的低估。

    今后的研究方向應(yīng)是，聚丙烯纖維和鋼纖維的復(fù)合效應(yīng)、聚丙烯纖維對高強(qiáng)高性能混凝 土性能的影響、聚丙烯纖維和硅灰或粉煤灰等活性混合材的復(fù)合效應(yīng)、以及對纖維使用效果 的評價方法等。對纖維混凝土的研究方法，也應(yīng)更注重觀察實際工程的應(yīng)用效果，而非單純通過室內(nèi)小試件進(jìn)行性能評價。

    由于聚丙烯纖維是通過消除或減少原生裂隙的數(shù)量和尺度來改善混凝土的品質(zhì)，從而實現(xiàn) 對混凝土使用性能的改善，因此，可將摻入聚丙烯纖維作為實現(xiàn)混凝土高性能化的一個重要途徑進(jìn)行深入研究。